Беседы о физике и технике

Глухов Николай Данилович

Вот как он описывает волшебное перо Жар-птицы, которое светит необыкновенным светом: «Чудный свет кругом струится, но не греет, не дымится… Шапок с пять найдется свету, а тепла и дыма нету; эко чудо-огонек!».

С холодным свечением тел мы встречаемся и в других случаях. Существуют газы, жидкости и твердые кристаллические вещества, которые светятся «холодным» светом после того, как они побывают на свету.

НО ВЕДЬ УЧЕНЫЕ УЖЕ ДАВНО ЗАИНТЕРЕСОВАЛИСЬ ЭТИМ ЯВЛЕНИЕМ?

В

науке «холодное» свечение принято, как известно, называть люминесценцией (от латинского «люмен» — свет).

Еще великий Ломоносов изготовил светящийся шар (прообраз рекламной трубки), разреженный воздух в котором под действием тока высокого напряжения светился мерцающим светом. М. В. Ломоносов из этого опыта сделал весьма смелое по тому времени заключение о тождественности образования полярных сияний и появления света, мерцающего в шаре под действием электричества на газы.

Люминесценция привлекала к себе внимание таких гигантов мысли, как Р. Бойль, Г. Галилей, И. Ньютон, но более 300 лет она считалась одним из наиболее необъяснимых явлений природы, так как в сознании людей издавна утвердилось представление о возникновении света только от нагревания тел.

И лишь немногим более ста лет назад выдающимися физиками англичанином Г. Стоксом и французом Л. Беккерелем были начаты систематические количественные исследования нового вида свечения. Эти исследования позволили Стоксу установить важнейшие свойства люминесценции, но массового практического применения она достигла только в последние десятилетия.

Понимание же сущности явлений люминесценции стало возможным лишь после того, как в начале нашего столетия возникли новые представления о процессах поглощения и излучения света на основе квантовой теории.

В ИССЛЕДОВАНИЯ ЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ ВНЕСЛИ ВКЛАД И СОВЕТСКИЕ УЧЕНЫЕ?

Выдающийся советский ученый и организатор науки акад. С.И.Вавилов (1891–1951) создал отечественную школу физиков, работающих в области люминесценции. В 1945–1951 гг. С.И.Вавилов был президентом Академии наук СССР, одним из главных редакторов Большой Советской Энциклопедии первого и второго изданий, первым председателем общества «Знание».

«Результаты всех трудов Сергея Ивановича Вавилова стали одним из основных фундаментов современного учения о люминесценции. На базе этого фундамента стало возможным одно из важнейших открытий современной физики — открытие излучения заряженных частиц сверхсветовой скорости». Эти слова принадлежат академику, лауреату Нобелевской премии П. А. Черенкову. Под «важнейшим открытием современной физики» он имеет в виду открытие в 1934 г. эффекта, получившего название эффекта Вавилова — Черепкова, при исследовании явления люминесценции. За открытие этого эффекта П. А. Черенкову в 1958 г. (акад. С.И.Вавилов к этому времени уже умер) была присуждена Нобелевская премия.

ОДНАКО МЕХАНИЗМ ЭФФЕКТА ВАВИЛОВА — ЧЕРЕНКОВА ОТЛИЧАЕТСЯ ОТ ЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ?

Суть

эффекта состоит в том, что при движении электронов в веществе со скоростью, большей скорости света в данной среде, возникает излучение, которое С. И. Вавилов, проанализировав опыт, поставленный его аспирантом П. А. Черенковым, сразу же отделил от подразумевавшейся люминесценции. Именно здесь проявились богатая эрудиция и глубокие знания в области люминесценции С. И. Вавилова, так как даже крупнейшая в то время парижская школа физиков прошла мимо этого явления, приняв его за обычную люминесценцию (в том числе П. Кюри и М. Склодовская-Кюри).

СНАЧАЛА ВСЕ ЖЕ НАДО ВЫЯСНИТЬ, ЧТО ТАКОЕ ЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ…

В результате длительных исследований С. И. Вавилов дал определение люминесценции, которое теперь является общепринятым: люминесценцией называют избыток свечения тела над тепловым излучением того же тела в данной спектральной области и при данной температуре, если этот избыток имеет конечную длительность свечения, т. е. не прекращается сразу же после устранения вызвавшей его причины.

Это определение позволяет отделить люминесценцию от теплового излучения, рассеянного света и других световых процессов.

Следовательно, люминесценция возникает при преобразовании в свет энергии, поглощенной атомами, молекулами или ионами некоторых веществ.

Элементарный акт люминесценции состоит из трех частей:

1) поглощения энергии центром свечения (атомом, молекулой, группой атомов или молекул);

2) пребывания частиц люминесцентного вещества в возбужденном состоянии;

3) испускания люминофором кванта энергии при переходе излучателя из возбужденного состояния в нормальное.

Длительность возбужденных состояний в зависимости от механизма люминесценции находится в пределах от 1•10^{– 9} с до нескольких месяцев и даже лет, т. е. значительно превосходит период одного светового колебания (10^{– 15} с).

Необходимую для возбуждения свечения энергию частицам люминесцентного вещества можно сообщить разными путями: можно направить на люминофор поток электромагнитного излучения (видимого или ультрафиолетового), достигнуть возбуждения ударами электронов (пропусканием через газы электрического тока), вызвать химическую реакцию и т. д.

КЛАССИФИКАЦИЯ РАЗЛИЧНЫХ ВИДОВ ЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ ПРОВОДИТСЯ ИМЕННО ПО СПОСОБУ ВОЗБУЖДЕНИЯ АТОМОВ ЛЮМИНОФОРА?

Из многочисленных видов люминесценции нас будут интересовать лишь некоторые, а именно те, которые имеют наибольшее техническое применение (фотолюминесценция и катодолюминесценция). Напомним, что фотолюминесценцией называют свечение, возникающее под действием электромагнитного излучения (света), а катодолюминесценцией — свечение твердых тел, в частности специальных кристаллических порошков в разрядных трубках под действием потока быстрых электронов.